半導體原料共經歷了三個發(fā)展階段：第一階段是以硅（Si）、鍺（Ge）為代表的第一代半導體原料；第二階段是以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等化合物為代表；第三階段是以氮化鎵（GaN）、碳化硅（SiC）、硒化鋅（ZnSe）等寬帶半導體原料為主。

 

半導體材料與器件發(fā)展史

在材料領域的第一代，第二代， 第三代 并不具有“后一代優(yōu)于前一代”的說法。國外一般會把氮化鎵、碳化硅等材料叫做寬禁帶半導體；把氮化鎵、氮化鋁、氮化銦和他們的混晶材料成為氮化物半導體、或者把氮化鎵、砷化鎵、磷化銦成為III-V族半導體。我國采用的第三代半導體材料的說法是與人類歷史上的由半導體材料大規(guī)模應用帶來的三次產業(yè)革命相對應。目前，第三代半導體正在高速發(fā)展，第一、二代半導體也仍在產業(yè)中大規(guī)模應用，發(fā)揮第三代半導體無法替代的作用。 那么第三代半導體相較第一代、第二代有哪些進步？這三代半導體之間有什么技術區(qū)別？為何氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)在第三代半導體中備受追捧？
 

01

第一代半導體材料

 

興起時間：二十世紀五十年代；

代表材料：硅（Si）、鍺元素（Ge）半導體材料。

歷史意義：第一代半導體材料引發(fā)了集成電路（IC）為核心的微電子領域迅速發(fā)展。由于硅材料的帶隙較窄、電子遷移率和擊穿電場較低，Si 在光電子領域和高頻高功率器件方面的應用受到諸多限制。但第一代半導體具有技術成熟度較高且具有成本優(yōu)勢，仍廣泛應用在電子信息領域及新能源、硅光伏產業(yè)中。

 
硅在光伏領域應用產業(yè)鏈

 

02

第二代半導體材料

 

興起時間：20世紀九十年代以來,隨著移動通信的飛速發(fā)展、以光纖通信為基礎的信息高速公路和互聯網的興起,以砷化鎵、磷化銦為代表的第二代半導體材料開始嶄露頭角。

代表材料：第二代半導體材料是化合物半導體；如砷化鎵（GaAs）、銻化銦（InSb）；GaAsAl、GaAsP；還有一些固溶體半導體，如Ge-Si、GaAs-GaP；玻璃半導體（又稱非晶態(tài)半導體），如非晶硅、玻璃態(tài)氧化物半導體；有機半導體，如酞菁、酞菁銅、聚丙烯腈等。

性能特點：以砷化鎵為例，相比于第一代半導體，砷化鎵具有高頻、抗輻射、耐高溫的特性，因此廣泛應用在主流的商用無線通信、光通訊以及國防軍工用途上。

歷史意義：第二代半導體材料主要用于制作高速、高頻、大功率以及發(fā)光電子器件，是制作高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)良材料。因信息高速公路和互聯網的興起，還被廣泛應用于衛(wèi)星通訊、移動通訊、光通信和GPS導航等領域。如相比于第一代半導體，砷化鎵（GaAs）能夠應用在光電子領域，尤其在紅外激光器和高亮度的紅光二極管等方面。

從21世紀開始，智能手機、新能源汽車、機器人等新興的電子科技發(fā)展迅速，同時全球能源和環(huán)境危機突出，能源利用趨向低功耗和精細管理，傳統(tǒng)的第一、二代半導體材料由于自身的性能限制已經無法滿足科技的需求，這就呼喚需要出現新的材料來進行替代。
 

03

第三代半導體材料

 

起源時間：美國早在1993年就已經研制出第一支氮化鎵的材料和器件，而我國最早的研究隊伍——中國科學院半導體研究所在1995年也起步該方面的研究，并于2000年做出HEMT結構材料。

代表材料：第三代半導體材料主要以碳化硅（SiC）、氮化鎵（GaN）、氧化鋅（ZnO）、金剛石、氮化鋁（AlN）為代表的寬禁帶（Eg》2.3eV）半導體材料。

發(fā)展現狀：在5G通信、新能源汽車、光伏逆變器等應用需求的明確牽引下，目前，應用領域的頭部企業(yè)已開始使用第三代半導體技術，也進一步提振了行業(yè)信心和堅定對第三代半導體技術路線的投資。

性能分析：與第一代和第二代半導體材料相比，第三代半導體材料具有更寬的禁帶寬度(>2.2eV)、更高的擊穿電場、更高的熱導率、更高的電子飽和速率及更高的抗輻射能力，更適合于制作高溫、高頻、大功率及抗輻射器件，可廣泛應用在高壓、高頻、高溫以及高可靠性等領域，包括射頻通信、雷達、衛(wèi)星、電源管理、汽車電子、工業(yè)電力電子等。

 

半導體材料主要性能參數比較

半導體主要材料及應用

第三代半導體中，SiC 與 GaN 相比較，前者相對 GaN 發(fā)展更早一些，技術成熟度也更高一些；兩者有一個很大的區(qū)別是熱導率，這使得在高功率應用中，SiC占據統(tǒng)治地位；同時由于GaN具有更高的電子遷移率，因而能夠比SiC 或Si 具有更高的開關速度，在高頻率應用領域，GaN具備優(yōu)勢。
從下表常用的“優(yōu)值（Figure of Merit, FOM）”可以清晰地看出，SiC和GaN相較于前兩代半導體材料在功能與特性上有了巨大的提升。

*以上優(yōu)值以Si材料為單位1，進行了歸一化
 GaN和SiC在材料性能上各有優(yōu)劣，因此在應用領域上各有側重和互補。如GaN的高頻Baliga優(yōu)值顯著高于SiC，因此GaN的優(yōu)勢在高頻小電力領域，集中在1000V以下，例如通信基站、毫米波等。SiC的Keye優(yōu)值顯著高于GaN，因此SiC的優(yōu)勢在高溫和1200V以上的大電力領域，包括電力、高鐵、電動車、工業(yè)電機等。在中低頻、中低功率領域，GaN和SiC都可以應用，與傳統(tǒng)Si基器件競爭。
 

GaN器件主要包括射頻器件、電力電子功率器件、以及光電器件三類。GaN的商業(yè)化應用始于LED照明和激光器，其更多是基于GaN的直接帶隙特性和光譜特性，相關產業(yè)已經發(fā)展的非常成熟。射頻器件和功率器件是發(fā)揮GaN寬禁帶半導體特性的主要應用領域.
 

應用優(yōu)勢：體積小、高頻高功率、低能耗速度快；5G通信將是GaN射頻器件市場的主要增長驅動因素。

 

5G基站會用到多發(fā)多收天線陣列方案，GaN射頻器件對于整個天線系統(tǒng)的功耗和尺寸都有巨大的改進。在高功率，高頻率射頻應用中，獲得更高的帶寬、更快的傳輸速率，以及更低的系統(tǒng)功耗此外，GaN射頻功率晶體管，可作為新的固態(tài)能量微波源，替代傳統(tǒng)的2.45GHz磁控管，應用于從微波爐到高功率焊接機等消費電子和工業(yè)領域。

2017年全球功率半導體市場規(guī)模為327億美元，預計到2022年達到426億美元。工業(yè)、汽車、無線通訊和消費電子是前四大終端市場。

 

SiC從上世紀70年代開始研發(fā)。2001年SiCSBD商用，2010年SiCMOSFET商用。SiCIGBT目前還在研發(fā)中。SiC能大大降低功率轉換中的開關損耗，因此具有更好的能源轉換效率，更容易實現模塊的小型化，更耐高溫。
SiC功率器件的主要應用：智能電網、交通、新能源汽車、光伏、風電；新能源汽車是SiC功率器件市場的主要增長驅動因素。目前SiC器件在新能源車上應用主要是功率控制單元(PCU)、逆變器，DC-DC轉換器、車載充電器等方面。
2017年全球SiC功率半導體市場總額達3.99億美元。預計到2023年，SiC功率半導體的市場總額將達16.44億美元。
 

04

小結

 

第一、二代半導體技術長期共存：現階段是第一、二、三代半導體材料均在廣泛使用的階段。為什么第二代的出現沒有取代第一代呢？第三代半導體是否可以全面取代傳統(tǒng)的半導體材料呢？
那是因為Si和化合物半導體是兩種互補的材料，化合物的某些性能優(yōu)點彌補了Si晶體的缺點，而Si晶體的生產工藝又明顯的有不可取代的優(yōu)勢，且兩者在應用領域都有一定的局限性，因此在半導體的應用上常常采用兼容手段將這二者兼容，取各自的優(yōu)點，從而生產出符合更高要求的產品，如高可靠、高速度的國防軍事產品。因此第一、二代是一種長期共同的狀態(tài)。
第三代有望全面取代：第三代寬禁帶半導體材料，可以被廣泛應用在各個領域，消費電子、照明、新能源汽車、導彈、衛(wèi)星等，且具備眾多的優(yōu)良性能可突破第一、二代半導體材料的發(fā)展瓶頸，故被市場看好的同時，隨著技術的發(fā)展有望全面取代第一、二代半導體材料。
新基建為國內半導體廠商提供巨大發(fā)展機遇：我國在第三半導體材料上的起步比較晚，且相對國外的技術水平較低。這是一次彎道超車的機會，但是我國需要面對的困難和挑戰(zhàn)還是很多的。
4月20日，國家發(fā)改委首次官宣“新基建”的范圍，正式定調了5G基建、人工智能、工業(yè)互聯網等七大領域的發(fā)展方向。“新基建”作為新興產業(yè)，一端連接著不斷升級的消費市場，另一端連接著飛速發(fā)展的科技創(chuàng)新。值得注意的是，無論是5G、新能源汽車還是工業(yè)互聯網等，“新基建”各個產業(yè)的建設都與半導體技術的發(fā)展息息相關。例如：以氮化鎵(GaN)為核心的射頻半導體，支撐著5G基站及工業(yè)互聯網系統(tǒng)的建設；以碳化硅(SiC)以及IGBT為核心的功率半導體，支撐著新能源汽車、充電樁、基站/數據中心電源、特高壓以及軌道交通系統(tǒng)的建設；以AI芯片為核心的SOC芯片，支撐著數據中心、人工智能系統(tǒng)的建設。
不難看出，氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)為首的第三代半導體是支持“新基建”的核心材料。在“新基建”與國產替代的加持下，國內半導體廠商將迎來巨大的發(fā)展機遇。